CN1938571A - 金属基陶瓷压力传感器 - Google Patents

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Z·乌瓦诺维克
L·J·帕纳戈托普洛斯
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Abstract

本发明公开了一种传感器装置以及形成该传感器装置的方法。金属膜片可以分子结合到陶瓷材料上以形成其陶瓷表面。桥式电路连接到金属膜片的陶瓷表面上。压力传感还设置有压力输入端口，其中压力输入端口连接到金属膜片，从而形成包括金属膜片、桥式电路和压力输入端口的传感器装置。金属膜片优选地焊接到压力输入端口。金属膜片和其陶瓷表面优选地在至少40℃到150℃的温度范围上工作，传感器装置也是如此。传感器装置作为能够用于腐蚀性介质和高温应用的压力传感器来使用。

Description

金属基陶瓷压力传感器
技术领域
本发明的实施例总体上涉及传感器件及其方法。本发明的实施例还涉及压力传感器。本发明的实施例还涉及压力敏感元件。本发明的实施例还涉及“陶瓷结合在金属上”和ATF(Advanced Thick Film)工艺和技术。
背景技术
在压力传感技术领域已知有各式各样的传感器。压力传感器在该领域是已知的。压力传感器的一个例子是一个由硅衬底和在该衬底上生长的外延层形成的器件。然后，移除衬底的一部分，留下薄的柔韧性膜片部分。可以在膜片部分中设置传感元件来形成压力传感器。在操作中，膜片的至少一个表面被暴露于加工压力。膜片根据压力的大小而挠曲，并且膜片的挠曲使附着的传感元件弯曲。膜片的弯曲产生了传感元件阻抗值的改变，这种改变可以由至少部分地由传感元件形成的电阻电桥的输出电压信号的变化来反映。
形成压力传感器或类似器件的复合膜片的一些技术包括形成具有第一导电类型的衬底层，其中衬底层包含第一表面。然后在衬底层的第一表面进行正离子注入(positive implant)淀积，并且在衬底层的第一表面上生长外延层以便正离子注入在外延层中形成正离子扩散。然后在外延层上形成氧化图案，并且在外延层和氧化图案上沉积顶层。然后衬底层和外延层的正离子扩散可以被蚀刻形成复合膜片。这样的复合膜片因此可以被用于压力传感器或类似器件。该膜片包括由氮化硅形成的第一层和附着于该氮化硅层并且包含硅材料形成的压力敏感元件图案的第二层。
这一类型的压力传感器包含薄的、相对柔韧的、由如硅或陶瓷的适合材料形成的膜片部分，在膜片部分上印有选择的电阻元件或电容板，由此暴露于压力源使膜片挠曲，这将引起电阻元件的阻抗值改变或者电容板与对应的电容板的距离变化以及电容变化，这种压力传感器是本领域所公知的。
当用作低压敏感元件时，经济封装的传感器在外壳中封装传感器可以获得有效的密封，同时可以防止传感器的安装和封装所引起的应力影响输出。这是由于或者至少部分由于用来形成传感器的材料例如硅、陶瓷等与塑料等外壳之间热膨胀的显著差异造成的。常规的密封装置包括在外壳的压力入口周围放置密封材料环并安装传感器，以便将压敏膜片精确地与压力入口对齐。这种常规的装置不仅包括压力隔离问题，它也由于包装中传感器的定位而限制了在设计选择中灵活性。
这种包含使用膜片或膜片部分结构的压力传感器器件的主要问题之一在于这种器件在腐蚀性环境或高温环境中的应用是不可靠的。因此，存在提供一种对能用于腐蚀性介质和高温应用的低成本高精度压力传感器的需要。
发明内容
对发明的下列概述是为了方便理解只有本发明才有的一些创新特征，而不是完整的描述。对本发明的各个方面的完整理解可以通过将说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体来获得。
因此，本发明的一个方面是为了提供克服了前面提到的现有技术局限的一种装置和方法。
本发明的另一个方面是为了提供一种改进的敏感元件装置和方法。
本发明的另一方面是提供一种改进的传感器装置。
本发明的另一方面是提供一种改进的传感器装置，该装置可以使用“陶瓷结合在金属上”(金属基陶瓷)和ATF(Advanced Thick Film)工艺和技术来形成。
本发明的又一方面是提供一种将柔性电路连接到桥式电路的改进的方法。
本发明的前面提到的方面和其他目标和优点可以由这里的描述来获得。这里公开了一种传感器装置，以及包括一种构造该传感器装置的方法。金属膜片的分子结合陶瓷材料来形成它的陶瓷表面。连接桥式电路到该金属膜片的陶瓷表面。然后提供压力传感用的压力输入端口，其中该压力输入端口连接到金属膜片，从而形成包括金属膜片、桥式电路和压力输入端口的传感器装置。
金属膜片优选地焊接于压力输入端口。金属膜片及其陶瓷表面优选地至少在大约-40℃到150℃的温度范围内工作，传感器装置也是如此。陶瓷材料的分子结合到金属膜片上以形成其陶瓷表面。结合到金属膜片的陶瓷表面也可以配置成陶瓷衬底。陶瓷表面为金属膜片提供抗腐蚀保护。桥式电路通常包含电阻网络并提供正比于所施加力量的输出。由ASIC(特定应用场合的集成电路)、关联电路和EMI保护形成的柔性电路提供信号调节、校正和补偿。连接器系统的卡扣接头包括引线框和Z轴导线材料上的塑料卡扣，可以使用该卡扣接头来连接柔性电路到位于膜片上的桥电阻网络。
附图说明
附图各个图中的相同附图标记指代相同的或功能相似的元件，这些附图与说明书相结合并成为说明书一部分。这些附图图示了本发明并和本发明具体实施方式部分一起来说明本发明的原理。
图1图示了传感器装置的顶视图和侧视剖面图，可以根据本发明的优选实施方式来实现该传感器装置。
具体实施方式
这些非限制性例子中讨论的具体数值和结构是可更改的，并且列举只是为了说明本发明的至少一个实施方式，而不是为了限制本发明的范围。
图1图示了传感器装置100的侧视剖面图，其可以根据本发明的优选实施方式来实现。传感器装置通常包含一金属膜片119，其以分子结合的方式结合到陶瓷材料或陶瓷衬底118上。由电阻网络形成的桥式电路115可以被结合到陶瓷衬底118上，该陶瓷衬底118形成于金属膜片119之上。柔性电路112由ASIC(特定应用场合的集成电路)、EMI(电磁干扰)保护装置和相关的电路组件形成。陶瓷衬底118结合到金属膜片上并为金属膜片119提供抗腐蚀保护。
柔性条112使得桥式电路115连接到容器或外壳108(例如盖子)和连接器部分106。通过使用塑料引线框127来锁扣柔性电路112和z轴导线128，柔性电路可以与桥式电路电连接和机械连接，该塑料引线框127围绕z轴导线和柔性电路咬合并保持z轴导线和柔性电路在适当的位置。可以对齐这些组件以使传导路径由桥式电路开始，通过z轴导线进入柔性电路。因此，这样的装配方法和结构消除了对焊接和线连接的需要。
为其压力传感可以提供压力输入端口122，这样将压力输入端口焊接到金属膜片119，因此来形成包含金属膜片、陶瓷衬底、桥式电路和压力输入端口的传感器装置100。图1还示出了压力输入端口122和膜片119间的焊接接合处。在图1中还描述了螺纹部分123、连同褶边126和连接器部分106。容器或外壳108包围传感器装置100的前述的内部组件。外壳108可以由适合的材料来形成，例如塑料，轻质的不导电材料。应当说明，传感器装置100可以包含不止一个压力端口122或者连接器106。
传感器装置100解决了对低成本高精度且能够用于腐蚀性介质和高温应用的压力传感器的需要。传感器装置100可以通过“陶瓷结合在金属上”(ceramic-on-metal(金属基陶瓷))技术来形成，这一技术适合于用作以低成本构造的压力传感器的设计。用于形成传感器装置100的工艺包括将陶瓷分子结合到金属膜片上，例如金属膜片119，然后的工艺是将金属膜片(即金属膜片敏感元件)焊接到压力输入端口。“陶瓷结合在金属上”的结构提供了在大约40℃到150℃的工作温度范围内的高精度和稳定性。
使用ATF(先进的厚膜)工艺可以将陶瓷材料的分子结合到金属膜片上。因此金属膜片形成了外涂陶瓷的物体，该物体具有金属核心(即金属膜片的金属)且金属核心的至少一部分表面上具有陶瓷涂层。这种陶瓷可以是例如玻璃陶瓷，但使用玻璃陶瓷并不被认为是对本发明特征的限定。这里的玻璃陶瓷只是作为通过ATF工艺实施本发明的一种示例。
玻璃陶瓷涂层可以基于其氧化物成分和涂层的总重量，例如包含(a)重量比从大约8％到大约26％的氧化镁(MgO)；(b)重量比从大约10％到大约49％的氧化铝(Al2O3)；和(c)重量比从大约42％到大约68％的氧化硅(SiO2)。这里描述的适合用于传感器装置100的陶瓷/玻璃通常具有高温再燃能力(例如850℃)，并且是空气可燃的。此外，外涂陶瓷的物体展示出复合的热膨胀系数，这适合用于电子器件中，并且其可展示出低介电常数，这可以用于高频电路且在电子应用中具有更大的适用性。
而且，通过ATF工艺使用的陶瓷/玻璃展示出焙烧后对金属衬底的强附着力并且对热应力非常稳定。这避免了当该物体暴露于电子器件工作过程中经常遇到的高温时，击穿这些由本发明的具有陶瓷涂层的物体形成的器件。考虑到金属衬底和陶瓷玻璃间膨胀系数的相对巨大的差异，这种对热应力的稳定性确实是令人惊讶的，经验教导必需使金属和和涂层的膨胀系数匹配以产生好的附着力。
这样外涂玻璃/陶瓷的物体通常包含金属核心并且在金属核心的至少一部分表面具有玻璃陶瓷涂层。一个普通的ATF的例子包括：(a)在氧气环境中在第一温度加热金属衬底一段时间，以便足够在衬底表面形成任何数量的氧化层；和(b)在衬底的所有或一部分表面施加悬浮液，该悬浮液包含有一种或多种有机溶剂、一种或多种热可降解的聚合物黏合剂和一种经过煅烧的细碎粒状非导电材料的混合物，该混合物包括(i)重量比从大约8％到大约26％的MgO；(ii)重量比从大约10％到大约49％的Al2O3和(iii)重量比从大约42％到大约68％的SiO2。
这种ATF工艺还可以包括(c)在第二温度下加热步骤(b)中的外涂层/金属衬底组合物一段时间，以便足够从施加的悬浮液中充分移除所有溶剂；和(d)在第三温度下加热步骤(c)中的外涂层/金属衬底组合物一段时间，以便足够在施加的悬浮液中充分降解所有粘合剂；(e)在第四温度下加热步骤(d)中的外涂层/金属衬底组合物一段时间，以便足够烧结非导电材料以形成由金属衬底形成的器件，该金属衬底具有结合到其一个或更多表面的玻璃/陶瓷材料的预定图案。
这种材料通常包括(以氧化物为主要成分)：(i)重量比从大约8％到大约26％的MgO；(ii)重量比从大约10％到大约49％的Al2O3和(iii)重量比从大约42％到大约68％的SiO2；(f)在第五温度下对该器件进行热处理一段时间，以便在某种程度上足够使材料中任何的残留玻璃再结晶。
ATF工艺提供了玻璃/陶瓷材料在衬底上特定位置的应用中的更大选择性，这提供了如传感器装置100的器件制造的更大自由度。根据这里公开的实施方式，经过处理后，该涂层可包含结晶的玻璃/陶瓷，其坚固地附着于金属核心上并且适合作为衬底以用于经加工的感应元件。ATF工艺的例子在名称为“Ceramic Coated Metal Substrates for Electronic Applications”的美国专利No.4794048中公开，该专利于1988年12月28日授予Oboodi等，通过引用将该专利结合到此。ATF工艺的另一个例子在名称为“Ceramic Coated MetalSubstrates for Electronic Applications”的美国专利No.4997698中公开，该专利于1991年3月5日授予Oboodi等，通过引用将该专利结合到此。
这里阐述的实施方式和例子是为了对本发明及其实际应用进行最好的说明，以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明。然而，本领域普通技术人员会认识到介绍前面的描述和例子只是为了说明和举例。本发明的其他变形和修改对于本领域普通技术人员来说是显然的，并且将用附加的权利要求书来覆盖这些变形和修改。
所进行的描述并不是穷举性的或者限制本发明的范围。在上述教导的启示下且不脱离下面的权利要求书的范围的情况下，可进行很多修改和变形。可以预期到，本发明的使用可包括具有不同特性的组件。本发明的范围将由附加在此的权利要求书来限定，在所有方面给出了等效的全部范围。

Claims (20)

1、一种传感器装置，包括：
金属膜片，该金属膜片以分子结合的方式结合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；
连接到所述金属膜片的所述陶瓷表面上的桥式电路；
用于压力传感的压力输入端口，其中，所述的压力输入端口连接到所述的金属膜片，从而形成包括所述金属膜片、所述桥式电路和所述压力输入端口的传感器装置。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属膜片焊接到所述压力输入端口。
3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属膜片和其所述陶瓷表面在至少40℃到150℃的温度范围内工作。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述陶瓷材料分子结合于所述金属膜片以便形成其所述陶瓷表面。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，结合到所述金属膜片上的所述陶瓷表面形成陶瓷衬底。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，结合到所述金属膜片上的所述陶瓷衬底为所述金属膜片提供抗腐蚀保护。
7、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述桥式电路包括电阻网络。
8、如权利要求1所述的装置，其特征在于，一电路由包含特定应用场合的集成电路及其相关电路的柔性电路板形成。
9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括形成所述柔性电路的一部分的EMI电路。
10、一种传感器装置，包括：
以分子结合方式结合到陶瓷衬底上的金属膜片，其中所述金属膜片和所述陶瓷衬底在至少40℃到150℃的温度范围内工作；
结合到所述金属膜片的所述陶瓷衬底上的桥式电路，以便为所述金属膜片提供抗腐蚀保护；
配置在所述柔性电路上的EMI电路；
用于压力传感的压力输入端口，其中，所述压力传感端口焊接到所述金属膜片上，从而形成包括所述金属膜片、所述陶瓷衬底、所述桥式电路和所述压力输入端口的传感器装置。
11、一种形成传感器的方法，包括以下步骤：
将金属膜片以分子结合方式结合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；
将桥式电路连接到所述金属膜片的所述陶瓷表面上；和
为压力传感提供压力输入端口，其中，所述压力输入端口连接到所述金属膜片以形成包括所述金属膜片、所述桥式电路和所述压力输入端口的传感器装置。
12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，连接桥式电路到所述金属膜片的所述陶瓷表面的步骤，还包括以下步骤：
所述金属膜片焊接到所述压力输入端口。
13、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述金属膜片和其所述陶瓷表面在至少40℃到150℃的温度范围内工作。
14、如权利要求11所述的方法，其特征在于，桥式电路连接到所述金属膜片的所述陶瓷表面的步骤，还包括以下步骤：
分子结合所述陶瓷材料到所述金属膜片上以形成其所述陶瓷表面。
15、如权利要求11所述的方法，其特征在于，结合到所述金属膜片上的所述陶瓷表面形成陶瓷衬底。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，结合到所述金属膜片上的所述陶瓷衬底为所述金属膜片提供抗腐蚀保护。
17、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述柔性电路包含特定应用场合的集成电路。
18、如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括由柔性电路形成所述特定应用场合的集成电路的步骤。
19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供Z轴导线；和
形成从所述桥式电路经由所述z轴导线到所述柔性电路的导电路径。
20、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括提供外壳的步骤，包括所述桥式电路、所述金属膜片、所述陶瓷表面和所述压力输入端口的所述传感器装置位于该外壳内。
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